Според SmarTech, консултантска компания за производствени технологии, аерокосмическата индустрия е втората по големина индустрия, обслужвана от адитивно производство (AM), на второ място след медицината. Въпреки това, все още липсва осведоменост за потенциала на адитивното производство на керамични материали за бързото производство на аерокосмически компоненти, повишената гъвкавост и рентабилността. AM може да произвежда по-здрави и по-леки керамични части по-бързо и по-устойчиво - намалявайки разходите за труд, минимизирайки ръчния монтаж и подобрявайки ефективността и производителността чрез дизайн, разработен чрез моделиране, като по този начин намалява теглото на самолета. В допълнение, технологията за адитивно производство на керамика осигурява контрол на размерите на готовите части за характеристики, по-малки от 100 микрона.
Думата „керамика“ обаче може да предизвика погрешно схващане за крехкост. Всъщност, адитивно произведената керамика произвежда по-леки, по-фини части с голяма структурна здравина, жилавост и устойчивост на широк температурен диапазон. Далновидни компании се насочват към керамични производствени компоненти, включително дюзи и витла, електрически изолатори и лопатки на турбини.
Например, алуминиевият оксид с висока чистота има висока твърдост и силна устойчивост на корозия и температурен диапазон. Компонентите, изработени от алуминиев оксид, също така са електрически изолиращи при високите температури, често срещани в аерокосмическите системи.
Керамиката на основата на цирконий може да отговори на много приложения с екстремни изисквания към материалите и високо механично натоварване, като например висококачествено метално формоване, клапани и лагери. Силициево-нитридната керамика има висока якост, висока жилавост и отлична устойчивост на термичен удар, както и добра химическа устойчивост на корозия от различни киселини, основи и разтопени метали. Силициевият нитрид се използва за изолатори, работни колела и високотемпературни нискодиелектрични антени.
Композитната керамика осигурява няколко желани качества. Керамиката на силициева основа, добавена с алуминиев оксид и циркон, се е доказала като добра в производството на монокристални отливки за лопатки на турбини. Това е така, защото керамичната сърцевина, изработена от този материал, има много ниско термично разширение до 1500°C, висока порьозност, отлично качество на повърхността и добра излужваемост. Отпечатването на тези сърцевини може да доведе до конструкции на турбини, които могат да издържат на по-високи работни температури и да повишат ефективността на двигателя.
Добре известно е, че шприцването или машинната обработка на керамика е много трудна, а машинната обработка осигурява ограничен достъп до произвежданите компоненти. Елементи като тънки стени също са трудни за машинна обработка.
Въпреки това, Lithoz използва литографско керамично производство (LCM), за да произвежда прецизни, сложно оформени 3D керамични компоненти.
Започвайки от CAD модела, подробните спецификации се прехвърлят дигитално към 3D принтера. След това прецизно формулираният керамичен прах се нанася върху горната част на прозрачната вана. Подвижната строителна платформа се потапя в калта и след това селективно се излага на видима светлина отдолу. Изображението на слоя се генерира от цифрово микроогледално устройство (DMD), съчетано с проекционна система. Чрез повтаряне на този процес може да се генерира триизмерна зелена част слой по слой. След термична последваща обработка, свързващото вещество се отстранява и зелените части се синтероват - комбинират се чрез специален процес на нагряване - за да се получи напълно плътна керамична част с отлични механични свойства и качество на повърхността.
Технологията LCM предоставя иновативен, рентабилен и по-бърз процес за леене чрез инвестиционни проекти на компоненти на турбинни двигатели, заобикаляйки скъпото и трудоемко производство на матрици, необходимо за шприцване и леене по изгубен восък.
LCM може да постигне и проекти, които не могат да бъдат постигнати с други методи, като същевременно използва много по-малко суровини, отколкото други методи.
Въпреки големия потенциал на керамичните материали и LCM технологията, все още съществува разлика между производителите на оригинално оборудване (OEM) за аспирационно производство (AM) и дизайнерите в аерокосмическата индустрия.
Една от причините може да е съпротивата срещу новите производствени методи в индустрии с особено строги изисквания за безопасност и качество. Производството на аерокосмически продукти изисква много процеси на проверка и квалификация, както и щателни и строги тестове.
Друга пречка е убеждението, че 3D печатът е подходящ главно само за еднократно бързо прототипиране, а не за нещо, което може да се използва във въздуха. Отново, това е погрешно схващане и е доказано, че 3D отпечатаните керамични компоненти се използват в масово производство.
Пример за това е производството на турбинни лопатки, където керамичният процес AM произвежда монокристални (SX) сърцевини, както и лопатки от свръхсплави с насочено втвърдяване (DS) и равноосно леене (EX). Сърцевини със сложни разклонени структури, множество стени и задни ръбове по-малки от 200μm могат да бъдат произведени бързо и икономично, а крайните компоненти имат постоянна точност на размерите и отлично покритие на повърхността.
Подобряването на комуникацията може да обедини аерокосмическите дизайнери и производителите на оригинално оборудване (OEM) в областта на адитивно-адаптационния процес (AM) и да им се даде пълно доверие в керамичните компоненти, произведени с помощта на LCM и други технологии. Технологията и експертизата съществуват. Необходимо е да се промени начинът на мислене от адитивен процес за научноизследователска и развойна дейност и създаване на прототипи и той да се разглежда като път напред за мащабни търговски приложения.
В допълнение към образованието, аерокосмическите компании могат да инвестират време и в персонал, инженеринг и тестване. Производителите трябва да са запознати с различни стандарти и методи за оценка на керамика, а не на метали. Например, двата ключови ASTM стандарта на Lithoz за структурна керамика са ASTM C1161 за изпитване на якост и ASTM C1421 за изпитване на жилавост. Тези стандарти се отнасят за керамика, произведена по всички методи. При адитивното производство на керамика, стъпката на печат е просто метод на формоване и частите претърпяват същия вид синтероване като традиционната керамика. Следователно, микроструктурата на керамичните части ще бъде много подобна на конвенционалната машинна обработка.
Въз основа на непрекъснатото развитие на материалите и технологиите, можем уверено да кажем, че дизайнерите ще получават повече данни. Ще бъдат разработени нови керамични материали и персонализирани според специфичните инженерни нужди. Частите, изработени от AM керамика, ще завършат процеса на сертифициране за употреба в аерокосмическата индустрия. И ще осигурят по-добри инструменти за проектиране, като например подобрен софтуер за моделиране.
Чрез сътрудничество с технически експерти по LCM, аерокосмическите компании могат да въведат вътрешнофирмени процеси за аддитивно производство на керамика, като съкращават времето, намаляват разходите и създават възможности за развитие на собствената интелектуална собственост на компанията. С далновидност и дългосрочно планиране, аерокосмическите компании, които инвестират в керамични технологии, могат да постигнат значителни ползи в цялото си производствено портфолио през следващите десет години и след това.
Чрез установяване на партньорство с AM Ceramics, производителите на оригинално оборудване за аерокосмическата индустрия ще произвеждат компоненти, които преди са били невъобразими.
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
Шон Алън ще говори за трудностите при ефективното комуникиране на предимствата на адитивното производство на керамика на изложението Ceramics Expo в Кливланд, Охайо, на 1 септември 2021 г.
Въпреки че разработването на хиперзвукови летателни системи съществува от десетилетия, то вече се е превърнало в основен приоритет на националната отбрана на САЩ, което довежда тази област до състояние на бърз растеж и промяна. Като уникална мултидисциплинарна област, предизвикателството е да се намерят експерти с необходимите умения, които да насърчат нейното развитие. Когато обаче няма достатъчно експерти, това създава иновационна празнина, като например поставянето на проектирането за производствена пригодност (DFM) на първо място във фазата на научноизследователска и развойна дейност, а след това превръщането му в производствена празнина, когато е твърде късно да се направят рентабилни промени.
Алианси, като например новосъздадения Университетски алианс за приложна хиперзвукова наука (UCAH), осигуряват важна среда за развиване на талантите, необходими за развитието на областта. Студентите могат да работят директно с университетски изследователи и професионалисти от индустрията, за да разработват технологии и да развиват критични хиперзвукови изследвания.
Въпреки че UCAH и други отбранителни консорциуми упълномощиха членовете си да се занимават с различни инженерни задачи, трябва да се направи повече работа за култивиране на разнообразни и опитни таланти, от проектиране до разработване и подбор на материали и производствени работилници.
За да осигури по-трайна стойност в областта, университетският алианс трябва да направи развитието на работната сила приоритет, като се съобрази с нуждите на индустрията, включи членовете си в подходящи за индустрията изследвания и инвестира в програмата.
При трансформирането на хиперзвуковата технология в мащабни производствени проекти, съществуващата разлика в уменията на инженерния и производствения персонал е най-голямото предизвикателство. Ако ранните изследвания не преодолеят тази подходящо наречена долина на смъртта – пропастта между научноизследователската и развойна дейност и производството, и много амбициозни проекти са се провалили – тогава сме загубили приложимо и осъществимо решение.
Американската преработваща промишленост може да ускори свръхзвуковата скорост, но рискът от изоставане е да се увеличи размера на работната сила, за да се постигне това. Следователно, правителството и консорциумите за развитие на университетите трябва да си сътрудничат с производителите, за да приложат тези планове на практика.
В индустрията има недостиг на умения, от производствените цехове до инженерните лаборатории, като тези разлики само ще се разширяват с растежа на пазара на хиперзвукова техника. Нововъзникващите технологии изискват развиваща се работна сила, която да разшири знанията в областта.
Хиперзвуковата работа обхваща няколко различни ключови области, включващи различни материали и структури, като всяка област има свой собствен набор от технически предизвикателства. Те изискват високо ниво на детайлни познания и ако необходимата експертиза не съществува, това може да създаде пречки пред разработката и производството. Ако нямаме достатъчно хора, за да поддържаме работата, ще бъде невъзможно да се справим с търсенето на високоскоростно производство.
Например, имаме нужда от хора, които могат да изградят крайния продукт. UCAH и други консорциуми са от съществено значение за насърчаване на съвременното производство и за гарантиране, че студентите, интересуващи се от ролята на производството, са включени. Чрез междуфункционални усилия за развитие на целенасочена работна сила, индустрията ще може да поддържа конкурентно предимство в плановете за хиперзвукови полети през следващите няколко години.
Чрез създаването на UCAH, Министерството на отбраната създава възможност за възприемане на по-фокусиран подход към изграждането на капацитет в тази област. Всички членове на коалицията трябва да работят заедно, за да обучат студентите в специализирани умения, така че да можем да изградим и поддържаме инерцията на научните изследвания и да я разширим, за да постигнем резултатите, от които се нуждае нашата страна.
Вече закритият Алианс за напреднали композитни материали на НАСА е пример за успешни усилия за развитие на работната сила. Неговата ефективност е резултат от комбинирането на научноизследователската и развойна дейност с интересите на индустрията, което позволява на иновациите да се разширят в цялата екосистема за развитие. Лидерите в индустрията са работили директно с НАСА и университети по проекти в продължение на две до четири години. Всички членове са развили професионални знания и опит, научили са се да си сътрудничат в неконкурентна среда и са подготвили студенти да се развиват, за да подхранват ключови играчи в индустрията в бъдеще.
Този вид развитие на работната сила запълва празнините в индустрията и предоставя възможности на малките предприятия да внедряват бързи иновации и да диверсифицират областта, за да постигнат по-нататъшен растеж, благоприятстващ инициативите за национална сигурност и икономическа сигурност на САЩ.
Университетските съюзи, включително UCAH, са важни активи в областта на хиперзвуковата оръжия и отбранителната индустрия. Въпреки че техните изследвания са насърчили нововъзникващи иновации, най-голямата им ценност се крие в способността им да обучават следващото поколение работна сила. Консорциумът сега трябва да даде приоритет на инвестициите в подобни планове. По този начин те могат да помогнат за насърчаване на дългосрочния успех на хиперзвуковите иновации.
About the author: Kim Caldwell leads Spirit AeroSystems’ R&D program as a senior manager of portfolio strategy and collaborative R&D. In her role, Caldwell also manages relationships with defense and government organizations, universities, and original equipment manufacturers to further develop strategic initiatives to develop technologies that drive growth. You can contact her at kimberly.a.caldwell@spiritaero.com.
Производителите на сложни, високотехнологични продукти (като например компоненти за самолети) са отдадени на постигането на съвършенство всеки път. Няма място за маневриране.
Тъй като производството на самолети е изключително сложно, производителите трябва внимателно да управляват процеса на качество, като обръщат голямо внимание на всяка стъпка. Това изисква задълбочено разбиране за това как да се управляват и адаптират към динамичните проблеми с производството, качеството, безопасността и веригата за доставки, като същевременно се спазват регулаторните изисквания.
Тъй като много фактори влияят върху доставката на висококачествени продукти, е трудно да се управляват сложни и често променящи се производствени поръчки. Процесът на качество трябва да бъде динамичен във всеки аспект на инспекцията и проектирането, производството и тестването. Благодарение на стратегиите на Industry 4.0 и съвременните производствени решения, тези предизвикателства пред качеството станаха по-лесни за управление и преодоляване.
Традиционният фокус на производството на самолети винаги е бил върху материалите. Източникът на повечето проблеми с качеството може да бъде крехко счупване, корозия, умора на метала или други фактори. Въпреки това, днешното производство на самолети включва усъвършенствани, високотехнологични технологии, които използват устойчиви материали. Създаването на продукти използва високоспециализирани и сложни процеси и електронни системи. Софтуерните решения за общо управление на операциите може вече да не са в състояние да решават изключително сложни проблеми.
По-сложни части могат да бъдат закупени от глобалната верига за доставки, така че трябва да се обърне повече внимание на интегрирането им в целия процес на сглобяване. Несигурността носи нови предизвикателства пред видимостта на веригата за доставки и управлението на качеството. Осигуряването на качеството на толкова много части и готови продукти изисква по-добри и по-интегрирани методи за качество.
Индустрия 4.0 представлява развитието на производствената индустрия и са необходими все повече и повече усъвършенствани технологии, за да се отговорят на строгите изисквания за качество. Поддържащите технологии включват Индустриален интернет на нещата (IIoT), цифрови нишки, добавена реалност (AR) и прогнозен анализ.
Качество 4.0 описва метод за качество на производствения процес, базиран на данни, включващ продукти, процеси, планиране, съответствие и стандарти. Той е изграден върху, а не замества традиционните методи за качество, използвайки много от същите нови технологии като своите индустриални аналози, включително машинно обучение, свързани устройства, облачни изчисления и цифрови близнаци, за да трансформира работния процес на организацията и да елиминира евентуални дефекти в продуктите или процесите. Очаква се появата на Качество 4.0 да промени допълнително културата на работното място чрез увеличаване на зависимостта от данни и по-задълбочено използване на качеството като част от цялостния метод за създаване на продукти.
Качество 4.0 интегрира оперативните въпроси и въпросите, свързани с осигуряването на качеството (QA), от самото начало до етапа на проектиране. Това включва как да се концептуализират и проектират продукти. Резултатите от последните проучвания в индустрията показват, че повечето пазари нямат автоматизиран процес на трансфер на дизайн. Ръчният процес оставя място за грешки, независимо дали става въпрос за вътрешна грешка или за комуникиране на дизайна и промените във веригата за доставки.
В допълнение към дизайна, Quality 4.0 използва и машинно обучение, ориентирано към процесите, за да намали отпадъците, да намали преработката и да оптимизира производствените параметри. Освен това, Quality 4.0 решава проблеми с производителността на продукта след доставката, използва обратна връзка на място за дистанционно актуализиране на софтуера на продукта, поддържа удовлетвореността на клиентите и в крайна сметка гарантира повторни покупки. Компанията се превръща в неразделен партньор на Industry 4.0.
Качеството обаче не е приложимо само за избрани производствени звена. Приобщаващият характер на Качество 4.0 може да внедри цялостен подход към качеството в производствените организации, превръщайки трансформиращата сила на данните в неразделна част от корпоративното мислене. Спазването на изискванията на всички нива в организацията допринася за формирането на цялостна култура на качество.
Никой производствен процес не може да протича перфектно в 100% от времето. Променящите се условия предизвикват непредвидени събития, които изискват отстраняване. Тези, които имат опит в качеството, разбират, че всичко е свързано с процеса на движение към съвършенство. Как гарантирате, че качеството е включено в процеса, за да се открият проблемите възможно най-рано? Какво ще направите, когато откриете дефекта? Има ли външни фактори, причиняващи този проблем? Какви промени можете да направите в плана за инспекция или процедурата за тестване, за да предотвратите повторното възникване на този проблем?
Създайте си нагласа, че всеки производствен процес има свързан и свързан процес за качество. Представете си бъдеще, в което има взаимоотношения едно към едно и постоянно измервайте качеството. Без значение какво се случва произволно, може да се постигне перфектно качество. Всеки работен център преглежда показателите и ключовите показатели за ефективност (KPI) ежедневно, за да идентифицира областите за подобрение, преди да възникнат проблеми.
В тази затворена система, всеки производствен процес има извод за качество, който осигурява обратна връзка за спиране на процеса, разрешаване на процеса да продължи или извършване на корекции в реално време. Системата не се влияе от умора или човешка грешка. Затворена система за качество, проектирана за производство на самолети, е от съществено значение за постигане на по-високи нива на качество, съкращаване на времето за цикъл и осигуряване на съответствие със стандартите AS9100.
Преди десет години идеята за фокусиране на QA върху продуктовия дизайн, пазарните проучвания, доставчиците, продуктовите услуги или други фактори, които влияят върху удовлетвореността на клиентите, беше невъзможна. Разбира се, че продуктовият дизайн идва от по-висш авторитет; качеството се отнася до изпълнението на тези проекти на поточната линия, независимо от техните недостатъци.
Днес много компании преосмислят как да правят бизнес. Статуквото от 2018 г. може би вече не е възможно. Все повече производители стават все по-умни. Налични са повече знания, което означава по-добра интелигентност за изграждане на правилния продукт от първия път, с по-висока ефективност и производителност.